（模式识别与智能系统专业论文）基于cfd的网格絮凝池中过栅紊流特性数值模拟研究.pdf

j 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 | | i rr r l ri r l r ir l lj i i ii ij 17 3 9 3 9 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：哇巨壮一日期： ) d ，o 5 、t 9 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 2 0 0 6 年卫生部和固家标准化管理委员会发布新的生活饮用水卫生标准，原有给水 厂不能实现新标准出水浊度1 n t u 要求，因此须对给水厂实施改造升级。强化絮凝方法 是一条有效改善出水水质的途径。通过对混凝动力学机理的分析及水流流念的研究，可以 得出网格絮凝池的流念对絮凝效果的影响。 本文研究的主要内容为： l 、借助c f d 软件对网格絮凝池单个竖井内湍流场进行数值模拟，优化网格絮凝池设 计。 2 、从混凝动力学角度分析网格絮凝池中过栅紊流特性，确定单层栅条板最佳间距及 双层栅条板栅板| 、日j 距。 本文以某实际工程单体竖井建立完善的分析模型，采用r e a l i z a b l ek - e 模型，局部紊 动性强区域采用加密网格方式保证模拟的精准度。 通过对单层及双层栅条板数值模拟结果展示的图形曲线，借助模拟模拟变量湍动 能k 、湍动能耗散率和涡旋速度梯度g 及“絮凝有效体”分析探讨。研究得出： l 、在竖井内，加入栅条方法能够改变整个流场流态；改变栅条密度，增加栅条个数 能够增大湍动能，控制水中涡旋的大小和强度，保证网格絮凝池中形成密实的絮体。采用 速度进口流速为0 1 3 m s ，栅问距d = 4 c m 或5 c m 的栅条布置方式，其具备较高湍动能级、 较强速度差异。双层栅板使得紊流流场及絮体浓度沿水流断面的均化，使整个过水断面上 都有足够的絮体浓度，增大了混凝池的“絮凝有效体”； 2 、分析得出，双层栅条板布置中，湍动动能使得絮体合理性碰撞及成长的栅条板问 距的合理范围为5 0 0 7 0 0 m m ，本文研究的双层栅板的合理板问距为5 0 0 m m 。 本文通过流态分布规律和流场特性进行了有限的研究，对模拟结果的分析来指导设计 研究工作，为设计研究工作提供新方法。 关键词：计算流体力学；网格絮凝池；湍动能k ；湍动耗散率；涡旋速度梯度g ；絮凝 有效体 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n2 0 0 6t h em i n i s t r yo fh e a l t ha n dt h en a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o nm a n a g e m e n tc o m m i t t e e r e l e a s e dan e w ”s t a n d a r d sf o rd r i n k i n gw a t e rq u a l i t y ”。t h eo l dt ot h en e ws t a n d a r dc a l ln o tb e r e a l i z e dw a t e r t u r b i d i t yin t ur e q u i r e m e n t ，e l i m i n a t i n gt h en e e dt oi m p l e m e n tt h eu p g r a d i n go f t h ew a t e r w o r k s t h ee n h a n c e df l o c c u l a t i o nm e t h o di sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ew a t e r q u a l i t y t h r o u g ha n a l y s i so f t h em e c h a n i s mo f c o a g u l a t i o nk i n e t i c sa n dw a t e rf l o w t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e ： 1 、c o n d u c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft u r b u l e n tf l o wf i e l di n s i d eas i n g l es h 啦i ng r i d f l o c c u l a t i o nt a n kb ym e a n so fc f ds o f t w a r e ，a n dt oo p t i m i z et h ed e s i g no fg r i d f l o c c u l a t i o nt a n k 2 、a n a l y s i so f f - g r i d t u r b u l e n c ef l o c c u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f 鲥df l o c c u l a t i o n t a n k ， d e t e r m i n et h eb e s ts p a c i n go fs i n g l eg n d p l a t e t sa n dd o u b l e - g r i dp l a t e t s t h i sp a p e re s t a b l i s h e das o u n da n a l y s i sm o d e lo fap r a c t i c a le n g i n e e r i n gs i n g l es h 撒m a d e u s eo fk 一m o d e l a n di nt h el o c a ls t r o n g t u r b u l e n c er e g i o nu s e de n c r y p t i o ng r i dw a yt oe n s u r e s i m u l a t i o na c c u r a c y t h r o u g ht h eg r a p h i cc u r v ed r a f t e db yt h es i n g l ea n dd o u b l et r a s hr a c kp l a t en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s ，u s es i m u l a t i o ne v a l u a t i o ni n d e x t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yk ，t u r b u l e n tk i n e t i c e n e r g yd i s s i p a t i o nr a t e v o r t e xv e l o c i t yg r a d i e n tg a n d “f l o c c u l a t i o ne f f e c t i v eb o d y 1 、i nt h es h a f t ，a d d i n gg r i d sc a nc h a n g et h ew h o l ef l o wf i e l df l o ws t a t e ；c h a n g i n gg r i d s d e n s i t ya n di n c r e a s i n gt h en u m b e ro fg i r d sa r ea b l et oi n c r e a s et h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y w ec o u l dc o n t r o lt h es i z ea n di n t e n s i t yo ft h ew a t e rv o r t e xt oe n s u r et h ef o r m a t i o no f d e n s ef l o c s t h ei m p o r t e df l o wr a t ea tt h es p e e do f0 13 m sa n dt h eg r i dl a y o u t sw i t hg r i d s p a c i n go fd = 4 0 m mo r5 0 m mh a v eh i g h e rt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yl e v e l ，s t r o n g d i f f e r e n c e si nt h ep a c e t h ed o u b l e g a t ep l a t em a k e st h e a v et u r b u l e n tf l o wa n df l o c c o n c e n t r a t i o nh o m o g e n i z a t i o na l o n gt h ef l o wc r o s s s e c t i o ns ot h a ti nt h ew h o l ec r o s s s e c t i o nt h e r ei se n o u g hf l o cc o n c e n t r a t i o n ，w h i c hi n c r e a s e s “f l o c c u l a t i o ne f f e c t i v eb o d y o fg r i df l o c c u l a t i o nt a n k ； 2 、i nt h ed o u b l et r a s hr a c kp l a t el a y o u t t h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ym a k e st h ef l o cr e a s o n a b l e c o l l i s i o na n dp r o v i d ear e a s o n a b l er a n g eo f5 0 7 0 c mf o rt h es p a c i n go ft h eg r o w i n gt r a s h r a c kp l a t e t h i sp a p e ri n d i c a t e dt h a tr e a s o n a b l es p a c e5 0 e mi st h eb e s tf o rd o u b l e - s p a c e d g r i dp l a t e ， i nt h i sp a p e r , w ec o n d u c t e dl i m i t e ds t u d yo np a t t e mo ff l o wa n df l o wd i s t r i b u t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c so ff l o wf i e l d t h ea n a l y s i so nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a ng u i d et h ed e s i g nw o r k a n dp r o v i d en e wm e t h o d s 武汉科技大学 硕士学位论文 第1 i i 页 k e yw o r d s ：c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ；鲥df l o c c u l a t i o nt a n k ；t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yk ； t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yd i s s i p a t i o nr a t e ：v o r t e xv e l o c i t yg r a d i e n tg ；f l o c c u l a t i o n e f f e c t i v eb o d y 第1 v 页 武汉科技大学硕士学位论文 目录 摘! 要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 问题的提出及研究意义1 1 3 研究内容3 第二章计算流体力学( c f d ) 分析方法的引入5 2 1c f d 概述5 2 1 1c f d 概j 盎一5 2 1 2c f d 商用软件及求解过程5 2 2c f d 软件在水处理技术中应用7 第三章混凝理论研究方法9 3 1 传统混凝动力学理论9 3 2 现代混凝动力学研究方法1 1 3 2 1 紊流微涡旋理论1 1 3 2 2 紊流微涡旋动力学的亚微观传质理论1 2 3 2 3 紊流微涡旋动力学的破碎理论：1 4 3 2 4 紊流微涡旋机理在网格絮凝池中的应用：1 5 第四章网格絮凝池中过栅紊流特性的数值模拟研究1 6 4 1 网格絮凝池主要设计参数的确定1 6 4 2 网格絮凝池过栅紊流特性的数值模拟1 7 4 2 1 数学模型的建立1 7 4 2 2 网格絮凝池模型建立及边界条件2 0 4 2 3 网格絮凝池过栅紊流特性的数值模拟2 4 4 3 网格絮凝池紊流特性数值模拟的模拟变量2 9 4 4 网格絮凝池单层栅条板过栅紊流特性的数值模拟研究3l 4 4 1 网格絮凝池单层栅条板栅问距影响的数值模拟。3 l 4 4 2 小结4 2 4 5 网格絮凝池双层栅条板过栅紊流特性的数值模拟研究4 2 4 5 1 网格絮进池双层栅条板板间距影响的数值模拟4 2 4 5 2 小结4 8 第五章结论与展望4 9 5 1 结 仑4 9 5 2 展望o 4 9 武汉科技大学 硕士学位论文第v 页 参考文献5 0 致谢5 4 附录i 攻读学位期问发表的论文5 5 武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 城市化是农村人口转变为城市人口、农村地域转变为城市地域的过程。城市化率是衡 量经济发展水平的重要标准，改革丌放之前我国城市化率由1 9 5 0 年的1 1 2 缓慢上升至 1 9 7 8 年的1 9 4 。随着我国经济水平的提高，城市化进程在不断的加快。据国家统计局 发布的新中国6 0 周年系列报告之十：城市社会经济发展同新月异报告中显示，截止 2 0 0 8 年木我国城市化率己达到4 5 6 8 ，预测2 0 2 0 年将达到5 0 ，比1 9 7 8 年提高了3 0 个百分点。城市化进程的加快使国民经济快速增长，特别是第三产业的迅猛发展，导致了 我国需用水量地不断增加。在城市人口急剧增长、人口扩容的过程中对城市建设和公共服 务建设提出更高要求。但我国大多数城市在发展经济的同时，却忽视了环境污染的治理， 导致现阶段我国水资源时空分布不均【l 】，从而造成资源性缺水与水质性缺水并存的局面。 影响我国经济可持续性的八大因素之一就是缺水和污染，它们对增长率的负面影响达到 1 2 ，高于能源价格上涨和外商投资下降的影响。 城市水资源的丌发利用与水污染防治紧密相连，城市水污染治理滞后导致的水质性缺 水已严重影响到城市的供水安全。根据中国水网从国家相关部门得到的资料，截止2 0 0 8 年3 月底，在2 8 3 个地级市中仍有3 8 个地级市不具备运行的污水处理厂。全国有3 3 以 上的城市没有污水处理厂，目日 城市污水处理率只有5 2 。全国设市城市每年约有2 0 0 亿立方米工业废水和生活污水未经处理直接排入水中，还有大量未达标处理的废水被偷 排、漏排，从而导致城市水污染状况持续加剧，造成9 0 的城市水源遭受污梨2 1 。我国流 经城市的河段9 0 左右受到污染，更加剧了水资源短缺。 据住房和城乡建设部不完全统计，在2 0 0 1 2 0 0 6 年间，j 下常年份有4 0 0 多个城市供 水不足，严重缺水的就有1 1 4 个【3 】在3 2 个百万人口以上的特大城市中有3 0 个长期受到 缺水困扰。 针对我国资源性及水质性缺水严重的突出问题，一方面需要加强水源地生态保护和建 设，提高全民节水意识；另一方面加快输水设施、测水设施及调蓄工程建设，推广应用高 效的水处理及污水处理回用工程技术，对现有给水厂及污水处理回用设施进行升级改造。 1 2 问题的提出及研究意义 城镇用水问题f 1 益严重引起了普遍关注，近几年来给水处理事业发展也较为迅猛， 城镇供水能力大大提高。同时饮用水安全保障问题逐渐成为国民关注及政策制定的焦点。 随着微量分析、微生物检测技术的进步及对病理学数据的积累，人们对水中物质致 病、致癌和致畸风险感到担心，各国都在不断修改原有标准并制定更高更严的饮用水质标 准( 见表1 1 ) i 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 t h = 界卫生组织饮用水水质准则2 0 0 4 年1 7 8 项 欧盟饮用水水质指令 美国饮用水水质标准 1 9 9 8 年4 8 项 2 0 0 4 年1 0 2 项 中国生活饮用水卫生标准2 0 0 6 年1 0 6 项 毒理学化学指标达剑1 4 8 项，为1 仆界很多 国家提供参考依据。 新增了丙烯酰胺、苯。氯乙烯等检测项目， 检测相当严格。 一级标准8 7 项，二级标准1 5 项，其中放 射性核素指标4 项，制定相当严密 4 2 项常规检测项目，6 4 项非常规项目。 主要体现毒理学指标，对浊度要求严。 城市化进程的加快，国民经济的增长，1 9 8 5 年我国发布的生活饮用水卫生标准 ( g b 5 7 4 9 - - 8 5 ) 己不能满足保障人民群众健康的需要。2 0 0 5 年住宅和城乡建设部颁布城 市供水水质标准( c j t2 0 6 2 0 0 5 ) ，检测指标增加至1 0 3 项，随后2 0 0 6 年卫生部和国家 标准化管理委员会对原有标准进行了修订，联合发布新的强制性国家生活饮用水卫生标 准( g b 5 7 4 9 - - 2 0 0 6 ) 。新标准借鉴国际水质标准的先进性和科学性，结合我国城市供水 特别是将给水厂出水浊度由5n t u 调整为1n t u 。按照1 9 8 5 生活饮用水卫生标准设 计运营的给水厂无法实现1 n t u 的出水标准，因此该类给水厂必须实施改造。 给水厂的常规工艺主要是：混凝一沉淀一过滤一消毒，而针对给水厂的改造主要从以 下两方面进行。 一方面，在常规工艺后增设深度处理。深度处理即在给水常规处理工艺的基础上增加 物理、生物和化学方法，用以去除水中的溶解性有机物和消毒副产物，有效地保证和提高 用水水质。在大量的给水厂运行改造实践中，活性炭吸附技术、臭氧氧化技术和膜分离技 术( 见表1 2 ) 应用较广，并取得较好的效果。 表1 2 水处理深度处理三大技术 深度处理技术机理优点缺点 活性炭吸附技术 型景砻崭裂黧豸附能力薹，盖棠棠羞霁变化适应尘零萎鐾矍荐霎甭誓昂 臭氧氧化技术 裂祟鑫耋震嘉釜，袋釜篙蓑篓震好、消毒能力强、蓄了耋主量荐霎含霉昂 膜分离技术 鋈蓑篡翟募喾需鬟粟实出水水质好，操作简单芸易污染运行费用较 从表1 2 可以看出，深度处理运行管理费用高昂及能耗高，同时深度处理是在原有设 施基础上新增处理构筑物，增加了给水厂的用地。费用能耗高，征地难等问题造成现有给 水厂很难实施深度处理改造，因此需要通过强化絮凝技术减轻深度处理负荷，降低能耗【4 】。 另一个方面，强化絮凝技术的应用。对常规混凝中药剂、混合、凝聚和絮凝任一环节 或多环节的强化和优化，从而进一步提高对水中污染物，包括低分子溶解性污染物的净化 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 效果。 ( 1 ) 强化絮凝技术的关键环节之一是新型絮凝剂的制取应用，但由于新型高效絮凝 剂的研制周期较长等因素造成该方法不能及时达到现有给水厂要求。 ( 2 ) 强化絮凝技术的另个关键环节是高效的絮凝池的研究。这类絮凝池设计标准 突破了传统设计规范，具有技术指标先进，经济效益明显的特点【5 1 。近年来，折板、波纹 板、涡流旋流式絮凝池、机械搅拌式絮凝池及网格絮凝池的应用较为广泛。 表1 3 几类絮凝反应池对比 从表1 3 可以看出，网格絮凝反应池具备较好的处理效果，尤其对复杂水温、水质和 原水浊度上有较好的适应性。虽然该池型应用较多，也取得一定效果，但不同的工程不同 设计人员根据自己的工程经验选取确定网格絮凝池设计参数，在实际运行中所得到的絮凝 效果是不同，因此通过对混凝动力学机理的分析及水流流态的研究，可以得出网格絮凝池 的流态对絮凝效果的影响1 6 j 。 目前的混凝理论对于絮凝池的研究大多处于初级的指导性阶段，对于常规及新型池子 所取得的实验数据及其分析结果，尚处于实验阶段。因此分析絮凝池的水力特性指导反应 条件的优化，使得絮凝剂在最佳工况条件达到强化絮凝的效果是本文研究的核心内容。 1 3 研究内容 在网格絮凝池运行中发现诸多问题，尤其是水流条件不够理想。因此在保证絮凝效果， 保持网格絮凝池流程简单实用的优点的同时，需在混凝反应器内部结构方面深入分析探 讨，寻求混凝动力学理论模型，探讨反应池的水力条件，最终提高絮凝效果。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 本文引入计算流体力学( c f d ) 的涡旋理论，能够形象地模拟出絮凝池的水力条件和 流场变化。计算流体力学( c f d ) 软件所具备的絮凝模型的模拟，可以全面描述絮凝的形 态变化及脱稳过程，便于对强化絮凝进行检测和控制，从而对絮凝池进行升级改造及实现 给水厂出水水质1 n t u 标准。 本课题研究的主要内容为： ( 1 ) 探讨混凝动力学机理及计算流体力学( c f d ) 的数值分析方法在网格絮凝池中 的应用。 ( 2 ) 对网格絮凝池建立模型，选择相应的模型进行数值模拟。 ( 3 ) 从混凝动力学角度分析网格絮凝池中过栅紊流特性，确定单层栅条板最佳间距 及双层栅条板栅板l 、日j 距。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 2 1c f d 概述 2 1 1c f d 概述 第二章计算流体力学( c f d ) 分析方法的引入 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) ，是通过计算机数值计算 和图像显示技术，对包括有流体运动和热传导等相关的物理现象系统所作分析的一门新兴 学科。 c f d 的基本原理：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力 场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于 这些离散点上场变量之问关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值 【7 】 o c f d 具有适应性强应用范围广的特点。通过数值模拟能大幅度减少设计所需的时问 和成本；能研究难以进行或不可能进行的受控试验的系数；能超出通常的行为极限，研究 危险条件下的系统；比实验研究更自由、更灵活，可以无限量地提供研究结果的细节，便 于优化设计。具有很好的重复性，条件容易控制，这对湍流的数值模拟尤为重型引。 2 1 2c f d 商用软件及求解过程 c f d 本身的鲜明的系统性、规律性及复杂性，出现了如p h o e n i c s 、c f x 、f l u e n t 等多 个商用c f d 软件。但不同应用程序往往缺乏通用性。 ( 1 ) p h o e n i e s 软件 p h o e n i c s 软件是世界上第一套计算流体力学与传热学的商用软件，有c f d 的著名学 者d b s p a l d i n g 和s v p a t a n k a r 等提出，第一个萨式版本于1 9 8 1 年丌发完成。具有丌放 性，可读入几乎任何c a d 软件的图形文件，提供多种模型选择。p h o e n i c s 提供了若干专 用模块，用于特定领域的分析计算。这些模块主要用于模拟传热、反应、燃烧过程，应用 于航空航天暖通空调能源动力等专业，但p h o e n i c s 软件的缺点是网格处理方面比较单一 粗糙。 ( 2 ) c f x 软件 c f x 软件采用了基于有限元的有限体积法。在湍流模型的应用上，除了常用湍流模 型模型外，c f x 最先使用了大涡模拟( l e s ) 和分离涡模拟( d e x ) 等高级湍流模型。它为 用户提供了表达式语言( c e l ) 及用户子程序等不同层次的用户接口程序，允许用户加入自 己的特殊物理模型。c f x 软件的优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题， 但其占用计算机c p u 比较大，运行速度较慢。 ( 3 ) f l u e n t 软件 f l u e n t 软件是目前功能最全面、适用性最强、应用最广泛的c f d 软件。其基本求解 过程，如图2 1 所示。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 前处理器 ( 求解器) ( 后处理器 图2 1c f d 工作流程图 f l u e n t 软件包括三个基本环节：前处理、求解和后处理，与之相对应的程序模块分别 成为自仃处理器、求解器和后处理器。 前处理器( p r e p r o c e s s o r ) 是向c f d 软件输入所求问题的相关数据。主要完成以下工 作： 1 ) 定义几何计算域 2 ) 划分计算域为多个子区域，生成网格 3 ) 抽象化物理化学现象 钔定义流体的属性参数 5 ) 指定边界条件 需要注意的是，在前处理阶段生成的网格，关键点在于把握好计算精度和计算成本之 问的平衡。因为越高的精度所需计算机内存资源及c p u 响应时间也将越长。 求解器( s o l v e r ) 的数值求解方案包括了有限元、有限差分和有限体积法等：求解过 程包括以下步骤： 1 ) 借助简单函数来近似求解流动变量 2 ) ，将近似关系代入连续性控制方程，形成离散方程 3 ) 求解代数方程组 它具备很灵活的的网格划分特性，使用非结构网格( 三角形、四边形、四面体、六面 体和金字塔网格等) 来求解具有复杂外形的流动，也可以用混合型非结构网格。f l u e n t 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 可以对二位平面、二位轴对称和三维流体流动进行分析，完成参考系下流场模拟、定常和 非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组 分混合反应分析、多相流分析、固体与液体耦合传热分析等。其中湍流模型包括加模型、 k - c 0 模型、l e s 模型、标准壁面模型、r e y n o l d 应力模型等。 f l u e n t 的流体模拟过程一般如下： 1 ) 创建几何模型和网格模型 2 1 启动f l u e n t 求解器 3 ) 导入网格模型 4 ) 检查网格 5 1 选择求解器及运行环境 6 ) 决定计算模型 7 ) 设置材料特性 8 1 设置边界条件 9 ) 调整有关控制求解的相关参数 1 0 1 初始化流畅 1 1 ) 求解查看收敛情况 1 2 ) 显示求解结果 1 3 ) 保存求解结果 后处理器( p o s p r o c e s s o r ) 的目的是有效观察和分析流动计算结果，动态模拟流动效 果。其主要功能如下： 1 ) 计算域的几何模型和网格显示 2 ) 矢量图 3 ) 等值线图 4 ) 填充型的等值线图，即云图 5 ) x y 散点图 6 1 粒子轨迹图 7 1 图像处理功能 2 2c f d 软件在水处理技术中应用 目自订国内外较多文献对絮凝池模型一般选取代表性截面作二维模拟；湍流模型采用标 准舡两方程模型。c f d 模拟一般是为了优化水力絮凝池设计，对絮凝机理的研究涉及较 少，如j o h a n n e sh a a r h o f f 和j e r e m i aj v a nd e rw a l t 1 2 1 利用c f d 优化了絮凝池设计的三个 临界比率，槽宽比为o 9 1 1 ，重叠比4 5 ，深度比l 3 ，为往复絮凝池优化设计提供 依据。 叶立汉【1 3 】对絮凝池的局部流场进行了模拟，通过分析，得出了“网格大小、层数及 f = j l ! l ”对压差、涡旋尺度等指标的影响程度，并通过附加试验验证了标准加湍流模型的 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 有效性。但作者“采用原型扰流强烈区域作为计算对象”，这容易产生两个问题，一是选 用“局部区域”进行模拟，边水边界变成了壁面边界( w a l l ) ；二是模拟区域过小，壁边界 成为模拟过程中主要影响因素。两方面问题导致模拟结果与实际情况不甚吻合。 张海龙和伍悦滨等【1 4 】进行了类似的模拟研究，结果表明转弯处过水断面与廊道过水 断面的面积比为1 ：3 时，转弯处的流速分布较合理；如将絮凝池直角拐角和隔板矩形端面 均做成圆弧形，可消除死水区，为絮凝过程创造良好的水力条件。 仲崇军【1 5 】对提出了适合于c f d 数值模拟法的絮凝效果评价指标，分别为表征湍流剪 切强度的湍动能k 、表征有效絮凝能耗的湍动能耗散率和表征湍流中颗粒碰撞几率的涡 旋速度梯度g 。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第三章混凝理论研究方法 “混凝”分为“凝聚”( c o a g u l a t i o n ) 和“絮凝”( f l o c c u l a t i o n g ) 两个阶段：凝聚阶段 是通过混凝药剂投加到原水中，与微小杂质迅速结合，使之脱稳，该阶段历时较短，主要 为化学作用；而絮凝阶段即脱稳颗粒之间接触碰撞发生凝聚，最终产生可沉淀分离的絮体 颗粒，该阶段主要为物理作用。两个阶段分别在水处理构筑物中的混合设施和絮凝池中完 成【引。混凝过程见表3 1 。 表3 1 混凝过程的两个阶段 3 1 传统混凝动力学理论 混凝动力学研究内容是絮凝的速度问题，即在絮凝过程中，单位体积水体中悬浮颗粒 数( 胶体颗粒和絮凝剂) 的减少速率。它取决于颗粒相对运动引起的碰撞速率。而造成颗 粒问碰撞的主要原因是颗粒布朗运动、水流速度差和水流的紊动性。 国外学者通过长时问研究，依据不同条件不同视角提出了若干混凝动力学模型。在水 处理工程中，以下三种模型被普遍认为代表不同阶段的研究成果，详见表3 2 。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 表3 2 三种混凝理论模型 武汉科技大学 硕士学位论文第1 1 页 修j 下后的混凝动力学公式更好的体现了混凝舰律，对混凝工艺有了更明确、更简洁的 指导意义。但从表中可以看出混凝动力学中的g 值只反映某一水体能量注入率的平均值， 不能反映该水体各微小单元能量注入率的具体数值和均匀程度。在水处理絮凝领域，由于 研究初期微观表象模型中的约束条件，严重制约了传统的混凝动力学理论在真实系统中的 应用发展。常见的s m o l o u n c h o w s k i 定义的碰撞频率模式，有6 个主要的基本假设 1 0 】：( 1 ) 所有颗粒碰撞都会导致附着；( 2 ) 流体运动为层流剪切运动，运动是有限的；( 3 ) 颗粒 是单分散的；( 4 ) 附着后无破碎发生；( 5 ) 所有颗粒在碰撞后都形成实心球体；( 6 ) 碰撞仅发生在两个颗粒之间。而其后发展的模型都是对s m o l u c h o w s k i 模型假设的具体说 明或修正。 实际上在絮凝过程中，甘布和斯坦因对模型二的公式进行了必要的修正，通过一个瞬 a ， 间受剪而扭转的单位体积水流所耗功率末计算g 值以代替g = 竺，并分为两类分别研究， 业 见表3 3 。 表3 3g 值修正公式 从修正后的公式可以看出g 值是描述层流运动的参数，他们并没有脱离层流概念。 因此有学者对其在紊流絮凝中的应用提出新的研究方法【m 13 1 。 紊流条件下推导出的模型三公式，采用的是宏观流动计算方法，依然没有涉及真f 决 定水中颗粒接触碰撞的紊流亚微观结构，即决定紊流中的微涡旋。近年来，水处理领域的 专家学者继续对紊流条件下的微涡旋动力学作用继续研究【l4 1 。 3 2 现代混凝动力学研究方法 3 2 1 紊流微涡旋理论 流体由层流向紊流的过渡是层流流动稳定性破坏的结果。通过外力及外在能量可以打 破层流的稳定性。流体的稳定性描述如下：流动满足动力学方程、连续性方程以及边界条 件的解为u ，p s 。假设在t o ，流体受到的扰动时，瞬时速度和压力u ，p ，如果 l i m “= “( 3 1 ) l i m p 印 ( 3 2 ) 则可以认为流体对所加扰动是稳定的。因此，速度梯度和压力梯度是流体形成紊流的 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 根本因素。例如，跌水能造成速度和压力的变化；同样，流体通过栅条，由于栅条的剪切 和分割作用，也能造成流体的速度和压力变化。 紊流现象的研究比较复杂，为描述紊流中的各种理化反应，建立合理可行的模型理论 在水处理领域十分必要。在甘布和斯坦因理论及列维奇公式基础上，研究人员提出了各向 同性紊流絮凝动力学理论。该理论将紊流运动描述成一系列逐渐减小的涡旋叠加而成的涡 旋运动。搅拌混合或者水力剪切输入的能量产生了大涡旋，大涡旋主要完成动力传输并只 有小部分的能量耗散。能量通过逐级递减的涡旋进行传输，直到涡旋达到某种尺度大小时 所有的能量都会被粘滞阻力所耗散【i5 1 ，所用的能量最终通过粘性作用转化为微小能。 大小尺度不同的微涡产生的紊动效果也并不相同。大涡旋的脉动周期较长，频率较低； 微涡的脉动周期较短，频率高，并且越来越接近各向同性，即各个方向的分速均方值及空 间微分保持不变。当有外界能量不断输入至絮凝池中时，且加入的能量刚好等同耗散能量， 即会产生一系列的脉动，形成连续的微涡并达到稳定的紊流状态。一方面，颗粒位于尺度 大微涡中，其只能随涡做圆周运动而不发生碰撞，同时增加微涡对絮体的剪切破坏；另一 方面，颗粒处于尺度小微涡中，因不能造成变动速度而使颗粒失去碰撞能量。只有当颗粒 位于其尺度近似其粒径的微涡中，颗粒问才能产生相对运动并相互附着碰撞结合，该微涡 即为微尺度涡旋。 该模型的假设如下：紊流中尺度为九的微涡看做是与颗粒( 直径为d 1 ) 相碰撞的颗 粒，其直径用d 2 表示，即肛d 2 ；该直径可以用能量输入来计算表示， 持( 芝) ( 3 3 ) s 式中：v 运动粘度系数，m 2 s ； 单位质量流体中能量的输入及消耗，m 2 s 3 3 2 2 紊流微涡旋动力学的亚微观传质理论 水流中的传质即为物质的掺混及扩散过程，其可分为宏观传质和微观传质。水流的微 观传质是指水热运动所引起的质量交换或扩散。其量级是水分子尺度以及水分子平均自由 尺度的量级。水作层流运动时传质属于微观传质，其时物质垂直水流方向扩散与掺混是水 分子热运动所造成的。所谓物质在水流中的宏观传质是指紊流涡旋的动力作用引起物质在 水流宏观部位的掺混与扩散，其量级是宏观尺度的量级。因此，宏观传质速率是量级远远 大于微观传质速率的量级。 湍流情况下宏观传质速率的大小可用均匀各向同性湍流中的扩散系数大小来表征。其 数量级可由下面两个公式表示： k a ( e 。a ) 3( 炒z o ) ( 3 4 ) k 8 殍 ( 九 x o ) ( 3 5 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 式中：v 运动粘度系数，m 2 s ； o 单位质量流体中能量的输入及消耗，m 2 s 3 ； 九研究尺度，m ； k 当九小到用它作为特征长度计算的雷诺数( r e ：丝) 等于1 时的九值，即堕：1 dd 0 c 、b 待定系数。 由上面公式可以看到，当研究尺度在炒k 与九 k 两种不同情况下其扩散系数的规律 截然不同。越小扩散系数越小，越大扩散系数越大，当研究尺度相差很大时，扩散系数可 以相差几个数量级。这样物质在紊流水体中的传质可以分为两类：一、宏观传质，是由紊 流中大、中、小涡旋造成的湍流掺混、扩散所导致，其传质速率很快，传质阻力很小；二、 亚微观传质，即物质在紊流水体中垂直该地区流速方向在极邻近部位的扩散，其传质速率 很低，传质阻力很大。亚微观传质究其实质是层流下的传质。因为在极邻近部位即当k h 时，其粘性力起主导作用，水流呈现层流状态，故其传质速率远低于紊流宏观传质速率。 在层流水体中物质垂直流速方向的扩散是由水分子热运动造成的。而在湍流水体中是 由于惯性效应引起体积质量与水不同物质相对于水体的迁移，特别是由湍流微涡旋引起体 积质量与水不同物质沿微涡旋径向迁移，这一作用大大地增大了湍流中亚微观传质速率。 由于这一速率远大于水分子热运动所引起的传质速率，所以可认为微涡旋的离心惯性效应 是湍流亚微观传质的动力学致因。涡旋的离心惯性效应的量级可用涡旋加速度特征值表征 f 1 6 】： f - 2 3 a 挈丁 ( 3 6 ) 五” 涡旋加速度即单位质量惯性力。由式( 3 6 ) 可见，随涡旋尺度九减少，涡旋离心惯性力 以九3 反比例而增加。当九趋近k 时涡旋的加速度最大，其惯性效应最强。由此可见在湍 流水体中h 量级微涡旋的离心惯性效应将大幅度地增加湍流中亚微观传质速率。 同时，紊流的惯性力或者称之为剪切力是絮凝过程中另一重要动力学因素。紊流剪切 力t 是有紊流涡旋造成的，其关系可以用下式表示【1 7 】： 弘一v 2 ( 3 7 )t k l j ， 式中：v ，水流的特征速度； l ，流动空问特征尺度。 这样湍流剪切力的大小可以用上面两个宏观物理量组成的f r = o g l 近似确定。实际 上f r 是相似准则数，表明水流中惯性力与重力的对比，在地表面重力是一个常数，因此 f r 表明了惯性力大小。显然，在一个固定的空间中惯性力越大，其湍流剪切力越大，所 以f r 表明湍流剪切力的大小。两个尺寸不同的絮凝过程当其f r 相等时，其湍流剪切力就 基本相等，因此其絮凝效果就近似相似。这已为大量的小试、中试与生产试验所证实。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 只控制f r 数相等并不同完全控制絮凝效果相似，因为湍流剪切力近似相等时两个不 同的絮凝过程矾花联结强度虽近似相等，但矾花的密度与沉降性能却不一定相同，因此还 需要找到评价密实程度的参数。矾花的密实程度可用湍流动度。表征： 1 “2 + “p 2 + “：2 g ：一型! ：竺兰丝 2y ( 3 8 ) 式中：u 工口。u ：为空间点沿x y z 方向的脉动速度；v 为空间点的时平均速度。 显然，o 值越大表明在固定时间内流过固定空间点的涡旋数量越多，涡旋强度越大， 矾花也越密实。实际上，o 值是决定湍流剪切力真j 下的相似准则。在实际工程中是不可能 测定。的，但是当f r 相等，尺度越大的絮凝池其水流速度也越高，因此矾花的碰撞强度 越大，形成的矾花越密实，这已为试验与生产实践所证实。这样就可以保证把小尺度的试 验结果按照f r 相等来放大，放大后的絮凝效果会更好、更可靠。 3 2 3 紊流微涡旋动力学的破碎理论 传统混凝动力学理论 1 0 】假设絮体一旦形成将不会破碎，而在实际絮过程中常会出现 絮体破碎现象，最终影响悬浮物的去除率和出水浊度。 s p i c e r 和p r a t s i n i s 1 8 】认为，絮凝体成长主要经历三个阶段： ( 1 ) 最初以絮凝体的成长为主，颗粒聚结成絮凝体，其粒径迅速增长； ( 2 ) 絮凝体形成粒径大而多孔的结构，此时在水流剪切力作用下容易发生破碎； ( 3 ) 絮凝体成长与破碎相互平